Гранулометрический состав почв

Структура грунтов и их механические свойства. Вопросам структуры  и структурных связей грунтов  посвящено большое количество исследований. Отсылая читателей для подробного ознакомления к соответствующим  монографическим работам [36, 16, 26], ограничимся  кратким обзором современных  представлений по этим вопросам, знание которых необходимо для рассмотрения в последующих 1.1| а пах физических сторон теории деформирования грунтов.

Структура грунтов и их механические свойства. Вопросам структуры  и структурных связей грунтов  посвящено большое количество исследований. Отсылая читателей для подробного ознакомления к соответствующим  монографическим работам [36, 16, 26], ограничимся  кратким обзором современных  представлений по этим вопросам, знание которых необходимо для рассмотрения в последующих 1.1| а пах физических сторон теории деформирования грунтов. 
Структурные связи в грунтах. Все горные породы представляют .1й кристаллы или отдельные минеральные частицы, соединенные структурными связями, возникающими в процессе геологического формирования породы. По характеру этих связей выделяют Породы с жесткими цементационными связями, к которым относится массивно-кристаллические (магматические и метаморфической породы, а также сцементированные осадочные, и породы без мягких связей, к которым относят рыхлые осадочные породы (глинистые, лёссовые) и несвязные (крупнообломочные). 
Грунт как многокомпонентная система. В массивных породах отдельные кристаллы соединены между собой по поверхности; эти породы являются однокомпонентными, и с пошипи механики их можно рассматривать как твердые тела. 
К несвязным грунтам, поскольку у них отдельные компоненты (минеральные зерна, вода, воздух) не связаны в единую систему, понятие «многокомпонентные системы» не применяют; их рассматривают как сыпучую среду. 
Водонасыщенные глинистые грунты рассматривают как дисперсную систему, состоящую из сплошной среды (дисперсная среда) и расположенных в ней отдельных мелких частиц (дисперсное вещество). В водонасыщенных грунтах дисперсной средой является жидкая фаза, а дисперсным веществом — минеральные частицы (и пузырьки воздуха). Степень дисперсности определяется размером частиц. Частицы коллоидных размеров образуют коллоидный раствор. Если частицы грунта взаимно не связаны, а взвешены в воде, то такая система называется суспензией. 
Коллоидные частицы могут слипаться и укрупняться; этот процесс называют коагуляцией; процесс распада агрегатов и крупных частиц на более мелкие называют диспергацией. 
Элементы структуры грунта. Под элементами структуры грунта подразумевают [28] обособленную часть породы, имеющую ту или иную форму раздела с соседними частицами. У массивных скальных пород структурными элементами служат связанные между собой минеральные зерна или сцементированные обломки, у несвязных рыхлых пород — отдельные зерна, частицы и обломки, у связных глинистых пород — минеральные частицы, их пакеты и агрегаты, а также отдельные зерна. Отметим, что, строго говоря, эти элементы являются структурными элементами скелета грунта; в более общей трактовке к элементам структуры нужно отнести также адсорбированный воздух, монослои воды, поры и т. д. 
Следует различать первичные элементы, к которым относят отдельные минеральные частицы и их пакеты, и вторичные элементы, к которым относят агрегаты.

Твердая часть грунта состоит  из минеральных частиц и их агре-Гатов, зерен и обломков различного химико-минералогического состава. 
Глинистые минералы, образовавшиеся преимущественно в процессе химического выветривания горных пород силикатной группы, отличаются высокой дисперсностью и слоисто-ленточным строением. Эти минералы являются главными компонентами дисперсных осадочных отложений. По своему кристаллохимическому строению глинистые минералы разделяют на каолиниты, монтмориллониты и гидрослюды; реже встречаются хлориты, вермикулиты и т. п.

Твердая часть грунта состоит  из минеральных частиц и их агре-Гатов, зерен и обломков различного химико-минералогического состава. 
Глинистые минералы, образовавшиеся преимущественно в процессе химического выветривания горных пород силикатной группы, отличаются высокой дисперсностью и слоисто-ленточным строением. Эти минералы являются главными компонентами дисперсных осадочных отложений. По своему кристаллохимическому строению глинистые минералы разделяют на каолиниты, монтмориллониты и гидрослюды; реже встречаются хлориты, вермикулиты и т. п. 
Гранулометрический состав грунтов. Величины частиц, слагающих грунт, определяют обычно по их наименьшему размеру. К крупнообломочным относятся частицы размером более 2 мм (гравий, щебень, галька). Частицы размером от 2,0 до 0,05 мм называют песчаными, от 0,05 до 0,001 мм — пылеватыми, менее 0,001 мм 
— глинистыми. Глинистые частицы, размер которых менее 0,00025 мм, носят название коллоидов. 
Количественное соотношение различных фракций характеризует гранулометрический состав; при определении этого состава учитывают только соотношение первичных элементов. Соотношение же, учитывающее как первичные, так и вторичные элементы, называют микроагрегатным составом. 
Гранулометрический и микроагрегатный составы существенно различны. Например, для каолиновой глины содержание фракций размером менее 0,001 мм в первом случае составляет 35%, а во втором— 15%. 
Глинисто-коллоидные частицы. Особенностью глинистых минералов являются их большая удельная поверхность, являющаяся следствием высокой дисперсности глинистых частиц, их гидрофильность и способность к адсорбции и ионному обмену. 
Коллоидно-глинистые частицы являются наиболее активными компонентами дисперсных грунтов, и именно от них в основном зависят прочностные и деформативные свойства этих грунтов. Степень влияния глинисто-коллоидных частиц зависит от величины их удельной поверхности, последняя же, в свою очередь, зависит от минералогического состава частиц. Так, у монтмориллонита удельная поверхность составляет 800 м2/г, у илита — 80 м2/г, тогда как у каолинита— 10 м2/г. Соответственно коллоидную активность (т. е. степень приближения свойств грунта к свойствам коллоидной системы) у монтмориллонита можно считать наибольшей, а у каолинита — наименьшей.

Органические вещества содержатся в очень многих грунтах, не говоря уже о торфах и верхнем почвенном  покрове. Наиболее распространены растительные остатки, которые встречаются как  в неразложившемся, так и в  разложившемся виде (гумус). Для органических веществ, особенно для гумуса, характерны высокая гидрофильность и активность в различных физико-химических процессах (окислительно-восстановительные и др.), протекающих в грунтах.

Органические вещества содержатся в очень многих грунтах, не говоря уже о торфах и верхнем почвенном  покрове. Наиболее распространены растительные остатки, которые встречаются как  в неразложившемся, так и в  разложившемся виде (гумус). Для органических веществ, особенно для гумуса, характерны высокая гидрофильность и активность в различных физико-химических процессах (окислительно-восстановительные и др.), протекающих в грунтах. 
Наличие в грунте органических веществ существенно влияет на механические свойства грунта, увеличивая его пластичность, деформируемость и особенно объемную сжимаемость. В то же время гумус повышает водоустойчивость грунтов. 
Пористость грунта является одной из важнейших структурных характеристик грунта. Величину пористости п определяют как отношение объема пустот к объему всего грунта. Коэффициент пористости е определяется отношением между объемами пор и твердых частиц. 
А. К. Ларионов (1966) предложил выделять ультрамикропоры (размером менее 1 мкм), находящиеся между отдельными микрочастицами, между пакетами и в ультраагрегатах, межчастичные поры (размером от 1 до 100 мкм), находящиеся между крупными частицами и между агрегатами и внутри них, и крупные поры (размером более 100 мкм). 
Ту часть пористости, за счет которой изменяется в основном объем грунта при его уплотнении, называют активной пористостью. Соотношение между активной и общей пористостью играет важную роль в оценке уплотняемости грунтов. 
Следует также указать на наличие в грунте микро- и макротрещин, проходящих как между агрегатами, так и внутри них.

Электрическая природа взаимодействия твердых и жидких составляющих. Взаимодействие между твердыми и жидкими компонентами грунта имеет электрическую природу  и проявляется в виде обменного  ионного процесса. Напомним, что  ионами называют атомы или их группы, обладающие избыточным или недостаточным (по сравнению с нейтральными атомами) количеством электронов. 
Внутри твердой частицы ионы с различными знаками уравновешены.

Электрическая природа взаимодействия твердых и жидких составляющих. Взаимодействие между твердыми и жидкими компонентами грунта имеет электрическую природу  и проявляется в виде обменного  ионного процесса. Напомним, что  ионами называют атомы или их группы, обладающие избыточным или недостаточным (по сравнению с нейтральными атомами) количеством электронов. 
Внутри твердой частицы ионы с различными знаками уравновешены. На поверхности же частицы такое равновесие не достигается, вследствие чего частица ведет себя как электрически заряженное тело. Поскольку диэлектрическая постоянная горных пород больше, чем воды, в соответствии с правилом Коэна поверхность материальных частиц дисперсного водонасыщенного грунта заряжена отрицательно. Теоретически заряд распространяется по всей поверхности частиц однородно, однако установлено, что кромки глинистых частиц заряжены положительно, т. е. имеют противоположный по знаку заряд по сравнению с плоскостями частицы. 
Под действием электрического поля диполи воды вокруг частицы принимают ориентированное положение и притягиваются к поверхности частицы. Эта поверхность, будучи заряжена отрицательно, группирует вокруг себя положительно заряженные ионы (катионы) воды и лишь на некотором расстоянии от поверхности имеется небольшое число отрицательно заряженных ионов (анионов). 
На смотреть на сайте статью под номером 2.1 показана схема распределения ионов в зависимости от расстояния до поверхности частицы по Т. В. Лэмбу (1958). С увеличением этого расстояния концентрация ионов уменьшается. 
Ионный обмен. Между твердым и жидким компонентами грунта происходит обмен катионами, обусловленный разными знаками зарядов поверхности частицы и молекул слоя связанной воды. Положительно заряженные ионы (катионы) этого слоя притягиваются к отрицательно заряженной поверхности и вступают в реакцию обмена с расположенными на ней молекулами, вытесняя катионы из решетки частицы в жидкость. Отметим, что ионный обмен совершается не только на границе раздела (в диффузном слое), но и внутри частицы — в ее кристаллической решетке. 
Обменная способность грунтов (емкость поглощения) зависит ОТ химико-минералогического состава глинистых частиц. У частиц каолинита, которые имеют жесткую кристаллическую . решетку, возможность обмена ионами в межпакетном пространстве исключена, а обменные реакции протекают только по торцам частиц. Вследствие этого емкость поглощения составляет всего 3—15мг-экв па 100 г, У иллита, частицы которого также имеют жесткую решетку, обмен ионами происходит и на внешних базальных плоскостях пакета, и емкость поглощения его соответственно повышается цо К) 40 мг-экв на 100 г. У монтмориллонита вследствие подвижно ш кристаллической решетки ионный обмен идет, кроме того, и ПО |м ильным поверхностям внутри пакета, поэтому емкость поглощения этого минерала доходит до 80—150 мг-экв на 100 г.

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ (а. granulometric соmposition; н. Kornverteilung; ф. соmposition granulometrique, granulometrie; и. соmposicion granulometrica, granulometria) — распределение зёрен (кусков) по крупности в массивах горной породы, горной массы, почве или искусственном продукте, характеризуемое выходом в процентах от массы или количества зёрен.

Гранулометрический состав — важный показатель физических свойств  и структуры материала. Общепринятой классификации по данным гранулометрического  состава не существует, что связано  с различием целей и объектов, для которых производится определение  гранулометрического состава. В геологии (литологии), горном деле, обогащении полезных ископаемых, грунтоведении, почвоведении, технологии строительных материалов и других областях техники применяют различные классификации и шкалы классов (фракций) крупности. Классы (фракции) обычно обозначают в мм, в обогащении полезных ископаемых классы крупнее и мельче данного размера — знаками плюс и минус соответственно. В геологии при оценке осадочных горных пород различают: валуны крупные (свыше 500 мм), валуны средние (500-250 мм), валуны мелкие (250-100 мм), гальку (100-10 мм), гравийкрупный (10-5 мм), гравий мелкий (5-2 мм), песок грубый (2-1 мм), песок средний (0,5-0,25 мм), песок мелкий (0,25-0,1 мм), алеврит (0,1-0,05 мм), пыль (0,05-0,005 мм), глину (до 0,005 мм). В горном деле гранулометрический состав горной массы, отделённой от массива, используют для оценки результатов буровзрывных работ, качества продуктов обогащения и учитывают при выборе типа и параметров технологического оборудования вкарьерах, на шахтах, дробильно-сортировочных, обогатительных, окомковательных фабриках.

Гранулометрический состав руд, углей, неметаллорудных материалов устанавливается стандартами и техническими условиями, разрабатываемыми для определённых потребителей минерального сырья. В зависимости от цели исследования и размеров частиц гранулометрический состав определяют прямыми и косвенными методамигранулометрии.

Гранулометрический состав может быть выражен в виде дискретной или непрерывной зависимости  содержания частиц от их размеров. Для  определения дискретной зависимости  интервал размеров всех частиц анализируемого вещества подразделяют на классы (фракции) и гранулометрический состав представляют в виде процентного содержания частиц каждой из фракций (фракционный состав). В зависимости от размера максимального  куска классификация по крупности  осуществляется грохочением пробы на наборе сит (ситовой анализ) либо гидравлической классификацией материала. Величина фракции показывает содержание в веществе частиц в интервале размеров, ограничивающих фракцию. Графическое изображение гранулометрического состава в виде непрерывной зависимости называется кривой распределения. При построении её по оси абсцисс откладывают размеры частиц, а по оси ординат — суммарное содержание всех частиц от начала отсчёта до данной точки, получая интегральную (суммарную) кривую распределения. Если по оси ординат откладывают относительное содержание фракций, причём разность между средними размерами частиц каждой фракции стремится к нулю, получают дифференциальную кривую распределения (рис. 1). При определении гранулометрического состава строительных материалов результаты анализа иногда выражают в виде треугольника (чем ближе точка к вершине треугольника, тем больше в данном материале фракции, соответствующей этой вершине).  
 
По результатам анализов гранулометрического состава составляют таблицы, в которых отражают: класс (в мм); выход отдельных классов (по массе в килограммах и в %); суммарный (кумулятивный) выход по плюсу, т.е. выход суммарных остатков или по минусу, т.е. суммарный просев (в %). Данные анализа также выражают графически, используя простые, полулогарифмические и логарифмические сетки. На оси абсцисс откладывают размеры отверстий контрольных сит, на оси ординат — суммарные остатки. Крупность продукта характеризуют в необходимых случаях верхним (нижним) номинальным размером, т.е. размером отверстий контрольного сита, соответствующим установленному допустимому значению остатка просева. Крупность горной массы оценивают также средним (средневзвешенным) размером куска (медианой).  
 
Гранулометрический состав продуктов взрывного и механического дробления горных пород отражает вероятностный процесс образования кусков (зёрен) различной крупности в результате их разрушения. Гранулометрический состав взорванной породы в любом случае можно выразить графиками (рис. 2), из которых видно, что с увеличением допустимого размера кусков количество крупной фракции породы, требующей вторичного дробления, во всех случаях (особенно при мелком негабарите) уменьшается.  
 
Таким образом, при постоянстве гранулометрического состава взорванной массы степень дробления, оцениваемая по выходу негабарита, может быть различной, неодинакова и производственная оценка одного и того же взрыва на предприятиях с различным размером допустимого куска. Поэтому одни и те же породы при одинаковом гранулометрическом составе могут считаться легковзрываемыми или трудновзрываемыми в зависимости от принятых допустимых размеров кусков.

Классификация осадочных горных пород

В формировании осадочных горных пород  участвуют различные геологические  факторы: разрушение и переотложение продуктов разрушения ранее существовавших пород, механическое и химическое выпадение осадка из воды, жизнедеятельность организмов. Случается, что в образовании той или иной породы принимает участие сразу несколько факторов. При этом некоторые породы могут формироваться различным путём. Так, известняки, могут быть химического, биогенного или обломочного происхождения. Это обстоятельство вызывает существенные трудности при систематизации осадочных пород. Единой схемы их классификации пока не существует.

Различные классификации осадочных  пород были предложены Ж.Лаппараном (1923 г.), В. П. Батуриным (1932 г.), М. С. Швецовым (1934 г.) Л. В. Пустоваловым (1940 г.), В. И. Лучицким (1948 г.), Г. И. Теодоровичем (1948 г.), В. М. Страховым (1960 г.), и другими исследователями.

Однако для простоты изучения применяется  сравнительно простая классификация, в основе которой лежит генезис (механизм и условия образования) осадочных пород. Согласно ей осадочные  породы подразделяются наобломочные, хемогенные, органогенные и смешанные.

[править]Генезис осадочных горных пород

«Осадочные горные породы» объединяют три принципиально различные  группы поверхностных (экзогенных) образований, между которыми практически отсутствуют  существенные общие свойства. Собственно из осадков образуютсяхемогенные (соли) и механогенные (обломочные, частично терригенные) осадочные породы. Образование осадков происходит на поверхности земли, в её приповерхностной части и в водных бассейнах. Но применительно к органогенным породам довольно часто термин «осадок» не применим. Так если осаждение скелетов планктонных организмов ещё можно отнести к осадкам, то куда отнести скелеты донных, а тем более колониальных, например,кораллов, организмов не ясно. Это говорит о том, что сам термин «Осадочные горные породы» является искусственным, надуманным, он является архаизмом. Вследствие этого В. Т. Фролов пытается заменить его термином «экзолит». Поэтому анализ условий образования этих пород должен происходить раздельно.

В классе механогенных пород первые два понятия являются равнозначными и характеризуют разные свойства этого класса: механогенный — отражает механизм образования и переноса, обломочный — состав (состоит практически изобломков (понятие строго не определено)). Понятие Терригенный отражает источник материала, хотя механогенными являются и значительные массы обломочного материала, образуемого в подводных условиях.

Почвы состоят из фракций механических элементов, находящихся в различных количественных соотношениях. Различные фракции механических элементов имеют неодинаковые физические и химические свойства.